普渡大學教授Richard Voyles談精準交互無人機技術

雷鋒網註：Richard Voyles, 美國普渡大學（Purdue University）機器人學院創建人及領頭人，普渡大學特聘傑出學者，工程技術學院、計算機信息技術學院名譽教授。曾任職於奧巴馬政府白宮科學技術發展政策制定辦公室，和弗吉尼亞阿靈頓美國國家科學基金會，現任職於美國國家自然基金委員會，擔任機器人和物聯網項目審批負責人。參建國家機器人計劃、美國聯邦航天局準則、智能城市、創新和勞動力開發以及知識產權等領域。

以下為Richard Voyles在2018世界機器人大會上主題為《精準無人機在機器人和物聯網領域的應用》的演講內容，雷鋒網做了不改變原意的編輯整理：

如何理解精準交互無人機？從控制角度來講，也就是空中的精準控制，其中包括高度控制、力量控制和無線感測網路。

IoT「前生」：無線感測網路

無線感測網路是無線通信方式形成的一個多跳自組織網路。機器人在其中發揮的不是一個網路系統的作用，而是一個橋樑的作用，它的感測器連接了網路世界和物理世界。從模擬世界到數字世界，機器人可以形成一個閉環。我在實驗室所做的很多工作和傳統所說的精確或者精準不太一樣，我會強調是怎樣實現這樣一個精準的，例如精準無人機可以通過六個自由度實現更高的精準度。

無線感測網路其實是物聯網的前身，關注的是核心技術和低功、耗長時間的感測。八九十年代主要是關注低功耗，以及如何從一個臨時網路中輸入信息，也就是早期「雲」的概念。很多人關注自組織網路的形成和感測器數據的多跳路由。現在無線感測網路已有諸多應用實例，例如在海洋監測中的應用，我們協調了多個感測器，有對鹽度監測的感測器，有對水活動監測的感測器，以小時或天作為採樣周期，但是這個系統沒有反饋環節，現在該系統已經被用於氣候變化的監測。

在智慧家庭概念中，要考慮的不僅僅是評估環境，還有對環境產生的影響。我們經常談到的應用領域叫作網路物理系統，例如我們在實驗室花數年時間做的「智能特百惠」。這是我們與特百惠公司合作打造的智能廚房，實際上可以把這個廚房看作智能機器人。它主要通過感測網路實現低功耗、長生命周期，以及食品類別和數量的感測。我們做的不是全部人類的活動，而是將重點放在廚房中食品的準備上。

微節點和變形匯流排帶來網路迭代

智能廚房需要人們幫助規劃食品和午餐，我們會不斷地考慮怎樣把用戶包括在內，尤其是用戶體驗包含在這個環節中。機器人只做感測和思考，通過人類和智能冰箱的互動，由智能冰箱跟其它設備相聯繫，然後給人們提供冰箱當中儲存食品的信息，這樣我們開發的一些項目就要做一個以控制為核心的架構。我們知道無線感測器有很多節點，我們和賓夕法尼亞大學合作做了微節點，這些微節點和其它的宏節點結合，創造出無線感測網路，可以實現閉環控制。

我們開發的另外一個伴生的產品叫做變形匯流排，主要是為了適應各種感測器和驅動器。我們把變形匯流排作為一個標準產品推出，和常規匯流排不同，常規匯流排收集感測數據時候是這樣一個流程：首先希望感測器和CPU相溝通，然後把其它的內容放進去，利用匯流排的溝通實現感測功能。這種常規匯流排結構當中，我們希望感測器能夠對信息進行一些轉換，也希望CPU能夠做一些思考，所以在變形匯流排當中我們的轉型器會在整個匯流排當中移動，利用這些基於設備的信號更加有效地對感測器進行變形。其中，匯流排的拓撲結構並不是完全嶄新的，但是卻是一個多極並聯的匯流排結構。

高性能的節點產出了宏節點和微節點，具有重新編程的功能，而且是自適應的軟體，我們利用匯流排當中的架構幫助這些系統。例如無人機和機器人要能夠適應改變的環境，而為了使得軟體工程師的工作更簡單，可以設計一些能夠適應變化的環境的系統。這些元素怎麼和剛才我們提到的網路相連接？我們的網路當中並不只有計算節點，還有感測節點、思考節點和驅動節點，例如精準無人機是物理世界和網路世界之間連接的橋樑，驅動器控制網路和感測器相連，驅動現實世界中的智慧家庭，驅動實際的醫療機器人系統。這就涉及到物聯網的技術了，所以和傳統上講的無線感測網路還是有些不同的。

剛才談到很多帶有節點的感測器，我們藉此研發了履帶機器人，主要應用於一些救援場景。我們的爬行機器人非常小，可以進行搜救，可以在廢墟中尋找被掩埋的倖存者。我們還開發出了MOTHERSHIP機器人，我們的實驗室除了基礎研究和系統集成外，還關注如何進行感測和思考，並且進行功能整合，這樣才能真正做成實用的機器人。

高精準交互無人機的研究

高精準交互無人機到底應該是什麼樣的？這是一個很老的例子，主要實現空中操作移動的系統，能夠移動重物。這裡重點要關注的是這一群人，上圖中的無人機是一個載人飛機，實際上是在做一個重力補償，也在做非常精準的調校和組裝。當然，考慮的不僅僅是X軸和Y軸，必須要考慮多維操控。最近大家都在研究六旋翼無人機，也就是實現六個自由度的無人機，六旋翼無人機有更精準的力量控制。

這是之前我們在無人機方面做的一些早期的工作，大家可以看到，由於可以轉向不同的自由度，同樣也可以在不同的方向施加力。因為和周圍環境的精準互動是非常重要的，也就是將虛擬世界的信息轉化為實際的行動，這些旋翼通過在空中使用，其精準度肯定不如地面上那麼精準。藍色曲線是理想的曲線，用來衡量扭矩，需要考慮力量的大小和高度，紅色曲線是具體使用的效率。

我們通過這種方式和物理世界進行互動可以應用到各領域。在具體應用中，具體的配置也要進一步優化，讓其在不同的高度實現不同的運轉精度，這對於多旋翼無人機來說很重要。要優化無人機，無人機本身就要做得更精準。之前我們和農業部合作，過去幾十年在做開發核電站用無人機的相關工作，有些技術應用在軍事領域，有些設施已經壽終正寢，現在需要摧毀，為減少對人的傷害，可以用無人機代替人類進行一些人無法接近或者接觸的核污染等地方。

我們希望通過實驗能夠實現在不同的配置下看到不同的效果，從而對無人機性能進行調校，達到更好性能，所以這張圖實際上就是我們測試的結果，看一看如何能夠對它的配置進行進一步的優化。我們也和合作夥伴一起做了一些工作，研究如何更好地做出無人機產品原型，能夠實現這些無人機更精準的控制，比如消費產品領域當中如何實現更好的效果。實際上優化以後表現確實是更好了，無論是從哪方面來看，都比以前更好一些。

這樣會帶來一些新的問題，有些技術細節，例如想要無人機的旋翼旋轉的話，一方面需要旋臂垂直旋轉，另外也要考慮平行向內旋轉。這和固定翼無人機非常相似，有些機翼是平行翼，有些機翼是傾斜翼，這種傾斜翼會對飛行有特殊影響，這裡我們通過對其進行優化，在力上實現最優效果。無論是從哪個方向旋轉，我們都要對其實現最好的調校，考慮到空氣動力學的影響，稍做調整就可以移動得更快。實際上這種上反角效應即使是四旋翼無人機，可能在實際的飛行速度上都會有20%的誤差。

我們為什麼要把感測網路技術應用在這些領域當中，比如核廢物的分離，這樣人就不用自己去做了。美國能源部有一個廢物隔離實驗場，裡面有很多核廢物，也有一個非常深的井，大概有600多米深，還有普利茅斯的氣體擴散場，把地下的污染氣體引出來。當然，也有一些低密度的氣體，希望將這些氣體擴散限制在有限的範圍內。這種擴散場大概有1英里的長度，但我們無法用一個無人機覆蓋所有的地方，因為可能要收集一些殘留物的樣本，之後只有將前期的工作做好才能正式拆除。

採訪精選：機器人行業技術發展及市場轉型

雷鋒網編輯在大會上採訪了Richard Voyles教授，就機器人技術發展及市場轉型關鍵問題，Richard Voyles給出了自己的見解。

您怎麼看待機器人行業及其關鍵技術的發展，以及對中國的影響？

Richard Voyles：機器人技術的發展，在過去是更加關注硬體方面、設備方面。現在，我們邁入一個嶄新的機器人技術的時代，以軟體和信息為驅動的機器人時代。這也將是新時代機器人技術的一大基礎，在這樣一個轉變當中，中國和其他的國家也都受到相同的影響。

中國的機器人行業，包括中國大多數機器人公司，也正在進行這樣的一種轉型，從硬體到軟體和信息以及AI為中心的一個大的趨勢轉變，這也將會成為中國機器人行業發展的一個主流趨勢。

這樣一個轉變也使得企業之間的合作開始變的愈加緊迫，也促進了越來越多的企業之間的合作，從20世紀八九十年代，企業之間合作趨勢愈多，也幫助中國內部實現了行業的範式轉移，這個轉移是從過去比較低層的，比如說教育，發展到更高層的生態系統。這也包括其他行業，例如軟體、信息技術行業的發展，也在逐漸滲透。

通過這樣的一個軟體信息技術的逐漸滲透又反過來推動機器人學更進一步的發展，所以這是一個雙向反饋螺旋上升的過程。

在未來機器人發展中，它受軟體的影響較大還是受材料影響較大，未來機器人的發展是什麼樣子的？

Richard Voyles：目前關於軟體對於機器人行業的影響確實也是大家經常看到的一個話題，畢竟我們過去處於工業時代，但是我們的時代在不斷的演進，現在已逐漸進入信息時代，未來還要進入軟體時代。

在材料方面，我們也發現材料也變的越來越智能，我相信它們也將成為未來信息收集時代非常重要的一個有機組成部分，比如現在經常熱論的多功能材料，或者我們也把它叫做機器人材料，這樣的材料可以實現自我的感知、思考和行動。那在生物系統當中，比如：在人體當中我們的信息和數據它實際上和我們的所謂材料和硬體沒有一個非常明確的界限，我們的大腦中神經原在大腦還有全身的細胞中分布，他們都是可以收集信息的，我們通過這一感知所得到的這些信息，也是與我們的人體和各個組織是密切相連不能分開的，我們就把它稱作一個信息處理過程或者是軟體，總的來說在生物系統當中，軟體和硬體之間的區分是比較模糊的。

在我看來，實際上人類能夠利用客觀存在的物理世界中的工具，也是人類最終能夠作為一個主流的物種繁衍壯大，最後統領整個地球的根本原因。信息的採集我相信在新的時代也將會起到越來越重要的作用。過去我們會非常重視硬體在機器人技術發展方面所起到的作用，這也是我們的技術競爭中經常關注的一個要素，實際上我認為我們真正應該最為重視的因素還是信息本身，而工具或之前提到一些硬體他們只能說是一種工具，幫助我們去解析信息。

舉一個例子，在我自己的實驗室當中，我們有一台最新款的3D印表機，我們利用這個3D印表機不僅去列印一些結構物質，也要讓它實現遙感計算，還有自動等方面的功能，我們希望硬體和軟體可以有機結合起來，這樣的有機結合，也將會成為未來3D印表機技術發展的主流。而傳統的3D印表機只重視硬體。

現在的消費類機器人的技術瓶頸在哪裡？現在應用型機器人都往消費型機器人轉移，您怎麼看待這一個問題？

Richard Voyles：我們現正在進行轉型，而未來的方向就是人機界面。在機器人1.0時代，我們曾經熱議的就是一個關燈工廠的概念，在這車間工廠當中機器人負責所有的工作，人不在現場而只是負責運維。

在機器人1.0時代，實際上我們關注的這一些領域發展最好的就是在汽車總裝這樣比較小的領域。關燈工廠其實是只在汽車總裝等小的領域發展很好。大多數比如說汽車的零部件，它的製造本身也不是由機器人所執行，所以它只是在非常小的市場當中是比較活躍的。所以我認為我們要解決剛才所提到這樣一個技術瓶頸，最重要的是讓人去做他最擅長的事，讓機器也做它自己最擅長的事。

充分利用這兩者的優勢進行互補，充分實現人機協作。我相信這樣才是最有利於未來機器人行業的發展的。

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